Thunderbolt 的傳輸介面革命：8大觀念解析、雙向10Gb/s 速度精彩實測
今年 Computex 展覽期間，半生臉孔 Thunderbolt 是會場目光焦點之一，除了 Intel 搖旗吶喊之外，周邊裝置廠商也爭相展出產品。這項去年初就已經現身在蘋果電腦上的新介面，之所以能夠再次吸引鎂光燈，無非是今年結合 Ivy Bridge 平台與周邊裝置，正式宣告進入市場。
快速目錄
- Thunderbolt 重要觀念：內變外，應用不設限 / 頻寬大省時又省事 / 訊號封包重組與還原
- Thunderbolt 重要觀念：雙向傳輸速度不打折 / 線材昂貴成為絆腳石 / 控制器價格左右未來 / 軟體追不上推廣步伐 / 少了軟體功能打對折
- 10Gb/s大頻寬速度實測(1)：基本傳輸效能 / 裝置串接測試
- 10Gb/s大頻寬速度實測(2)：檔案實際傳輸測試、結論
閃電與雷霆之爭
最近可說是傳輸介面的異動年，新技術規範接連出籠。3年前SATA 6Gb/s和USB 3.0聯手登場，亦敵亦友的他們理論頻寬分別達6Gb/s與5Gb/s，一舉將電腦內、外接介面速度提升到新境界。稍後，雷聲作響一段時間的Thunderbolt，去年初率先在蘋果電腦上登場。
相較於SATA、USB、IEEE 1394等介面，Thunderbolt換裝秀般的底層架構特性，應用彈性充滿無限想像。這讓AMD也忍不住的如法炮製，在今年初祭出Lightning Bolt，想和Intel雷霆閃電較勁一番。但是截至目前為止，官方釋出資訊仍然相當有限。
前身是Light Peak
無論如何，Thunderbolt之所以能夠重新吸引眾人目光，和Intel的藍圖脫離不了關係。這項技術原先稱為Light Peak，由Intel自行主導開發，後來又和蘋果攜手合作。架構小調整再加上蘋果提供的Display Port資源，便成了大家現在看到的Thunderbolt，蘋果也因此取得獨家採用的權利，得以獨領風騷將近2年。
雙方這段合作關係結束前，Intel也老早規畫好推廣藍圖，2012最新平台Ivy Bridge，就是進入市場的墊腳石。畢竟在個人電腦市場裡，Windows仍然占有相當高的比例，背後潛藏龐大商機，是新技術產品最好的試煉場。在這些利多催化下，就不難理解Thunderbolt何以再次成為焦點。
Thunderbolt vs Lightning Bolt
有別於Thunderbolt整合了PCI-E與Display Port介面訊號，AMD喊出來的Lightning Bolt，選擇USB 3.0搭配Display Port組合。USB 3.0雖然有賣點，但是USB-IF正準備新增整合音效功能，難保哪天不會連影像訊號也通吃。Lightning Bolt會何去何從，就看AMD幾時要講清楚、說明白。
Thunderbolt 重要概念
先前曾在專題中介紹過Thunderbolt，它的架構遠比你想像來得簡單，似乎用一句話就能夠帶過。它到底是什麼？簡單來說就是將傳統內接的PCI-E匯流排，轉變成外接形式的應用。並且整合具備影音功能，原本就屬於外接形式的Display Port介面，將兩者合體以增加功能性。
內變外，應用不設限
零零總總的各式傳輸介面，可以簡單區分為內接與外接2種形式，以其重要性而言，又有系統與單一特定功能之別。PCI-E、PCI、ISA都屬於系統匯流排，是各類周邊裝置的溝通管道，像SATA、USB、音效等控制器，都得經由系統匯流排和系統核心連結。基於這樣的特性使然，以往只能以內接形式存在，也限制了應用彈性。
Thunderbolt帶來的創新，就是讓系統匯流排變成外接形式。利用PCI-E匯流排頻寬優勢，以往非得內接不可的裝置，例如顯示、磁碟陣列、影音截取壓等介面卡，也能轉移到主機外部使用。淺顯易見的好處，就是安裝或移除介面卡，不用大費周章地拆裝電腦。再者也能簡化訊號傳輸途徑，避免過多的訊號橋接和延遲，對傳輸效率造成影響。
頻寬大省時又省事
也因為Thunderbolt的特性，雖然被視為傳輸介面之一，但是它更像個新的應用觀念，或說是系統匯流排革命。好比影音剪輯用途，在USB 3.0問世之前的年代裡，大多會將影音原始檔案先傳輸進硬碟，利用硬碟的高速來縮短剪輯作業時間。完工後再將成品與原始檔，逐一傳輸到外接儲存裝置備份，如此反覆傳輸得耗費許多時間。
反觀使用Thunderbolt裝置，來源檔傳輸進電腦、線上剪輯作用，以及完檔備份儲存，甚至日後調出檔案再製，都不再需要繞道硬碟，可以直接在外接儲存裝置端一氣呵成。對，一切就是那樣省時又省事，而且標準PCI-E介面卡得以外接後，更多應用模式也是可以去想像與期待的點。
訊號封包重組與還原
也許你早已經熟透Thunderbolt架構面資訊，以下筆者就簡單的帶過，因為現階段更值得關注的是實務應用兩三事。參考架構圖來溫習一下，Thunderbolt控制器扮演著何種角色。當PCI-E或Display Port介面訊號輸入至控制器內，會先經由通用傳輸層（Common transport layer）處理資料封包，將其重組為Thunderbolt格式封包。
完成後再送進電纜/光纖傳輸層（Electrical/Optiical Layer），待最底層的連接器與線材（Connector and cable）準備好，也就是主機與裝置端順利連線時，就能進行實體資料傳輸作業。至於接收端的處理程序則是相反，將Thunderbolt封包還原成PCI-E與Display Port訊號，就能輸送至裝置的功能控制器。
▲Thunderbolt結合PCI-E與Display Port介面訊號，透過控制器重組與還原訊號封包，最終訊號還是原生PCI-E和Display Port規格。
▲Thunderbolt運作核心分成3個層面，進行介面訊號封包重組，送進傳輸層進行必要編碼轉化，最終經由實體線材傳輸訊號。
▲目前所有設計方案中，Thunderbolt控制器需要取用4條PCI-E通道，並且混入來自內顯得Display Port訊號，才能重組成為Thunderbolt訊號。
（後面還有：更多Thunderbolt重要觀念）
雙向傳輸速度不打折
Intel標榜的10Gb/s傳輸頻寬，基於全雙工傳輸模式，無論上行（up stream）或下行（down stream），都能享有各自獨立的10Gb/s通道頻寬。相較於被視為競爭對手的USB 3.0，雖然也採用全雙工傳輸，但是上、下行傳輸得共用5Gb/s頻寬。再加上可用頻寬差了一截，Thunderbolt無論用在配備固態硬碟的高階儲存裝置，或是多部儲存裝置高負載作業環境，實用性與效率都會比USB 3.0理想。
進一步比較兩者，Thunderbolt現行銅纜線方案具有10W供電能力，同樣是高於USB 3.0可提供的4.5W。
以往USB 2.0供電能力只有2.5W，可驅動單顆2.5吋5400RPM，換用USB 3.0理論上可以負荷2顆，至於Thunderbolt則是相當於可以驅動將近4顆硬碟。充裕供電量，能夠降低裝置端對於外接電源的依賴性，進而縮小實體產品體積與重量。
線材昂貴成為絆腳石
另外是菊花鍊拓譜架構（daisy chain topology），連接方式和IEEE 1394相同，裝置端能配備2個不分上、下行的連接埠，而主機端就只需要1個。在這串接模式下，最多可以連接多達7個裝置，唯獨標準型Display Port螢幕不像Thunderbolt有2個連接埠，因此必須排在裝置鍊最後面。反觀USB 3.0每個裝置都是獨立連接，主機端得配備較多連接埠，線材整理也不是那麼便利。
不過線材價格是Thunderbolt目前的第二個罩門，以目前少數能買到之一的蘋果產品而言，2.2公尺實售價高達1,550元，同長度USB 3.0線材卻不用400元。今年Computex展覽上，Intel表示將推動平價解決方案，但究竟能夠壓到多低，似乎要等到明年才有答案。顯然線材接頭內密密麻麻的晶片，以及相關零組件該如何壓低價格，並且提高線材製作良率，是眼前當務之急。
控制器價格左右未來
至於控制器簡單來說，可用於主控或裝置端，目前已經推出兩個世代產品。Intel表示前後代產品的效能表現一致，改變的是半導體進化，封裝尺寸得以再縮小。
此外，第二代新增單連接埠晶片產品（裝置端專用），尺寸比雙埠版本再小一些。控制器是價格居高不下的主要關鍵，據知要價高達30美元（折合新台幣約900元），幾乎和主機板晶片組一樣貴。
▲由左至右，第一代控制器代號Light Ridge很像主機板晶片組，中間的第二代Cactus Ridge控制器，雖然也是主控與裝置端兩用，尺寸大幅縮小了不少。至於最右邊代號Port Ridge控制器，則是裝置端專用、單連接埠設計。
光看數字可能無感，這麼說好了，假使拿來製作成介面卡，廠商預估售價至少要2,000元以上。對比USB 3.0剛出來的時候，也不過1,000元左右，現在更只要400元就能買到。看來Intel還得想辦法壓低生產成本、降低核心零組件組價格，才有利於加速普及。
軟體追不上推廣步伐
那麼在實務使用上，會有什麼疑難雜症呢？首先，Thunderbolt控制器本身並不需要驅動程式，因此能夠相容於所有作業系統。少了驅動程式這層變數，等於少了個瓶頸點，理論上對傳輸效能很有幫助。裝置的後端晶片，例如SATA磁碟控制器、音效晶片等，使用上和一般介面卡完全相同，得安裝相對應的驅動程式才能正常運作。
不過看似簡單的這點，卻也是目前實際應用中最大的罩門。追根究底起來，是由於Intel和蘋果那段合作關係，早先裝置產品都是以相容Mac OS來設計。現在移師到PC環境，廠商還得加緊趕製Windows版驅動程式與應用軟體，才能讓裝置發揮完整功能與速度。
▲對作業系統來說，Thunderbolt等於PCI-E匯流排的一環，所以在裝置管理員裡面看不到控制器。但是裝置上採用的功能控制器，如SATA介面磁碟陣列之類，必須像一般介面卡那樣安裝驅動程式，才能順利被系統識別。
▲外接儲存裝置產品在Windows環境下，如果無法進行內建的磁碟陣列功能設定，裝置內的硬碟會全數變成單一獨立。
▲Thunderbolt也具備熱插拔能力，可以利用Windows外接裝置管理員，將裝置退出離線。相對的，開機後才連結的裝置，系統也會自動偵測啟用。
少了軟體功能打對折
以台灣目前能買到的Promise Pegasus、My Book Thunderbolt Duo，這些標示相容Mac OS的外接儲存裝置為例。原始設計具備RAID功能，也提供Mac OS版本設定控制軟體，使用上自然沒有問題。但是拿到Windows環境，欠缺驅動程式的結果是前者無法驅動使用（測試版本階段），後者由於磁碟控制器算是通俗，所以Windows 7判定為標準AHCI磁碟控制器，自動予以驅動。
另一方面，由於無法設定磁碟陣列功能，成功驅動之後只能得到半套功能。在Windows 7環境下就像使用支援Port Multiplier的eSATA裝置，所有硬碟變成獨立狀態，失去原本硬體設計該有的磁碟陣列功能。當然這並不是絕對，如果廠商在硬體上提供實體切換開關，自然就不會有這些疑難雜症。
（後面還有：10Gb/s大寬頻實測）
10Gb/s大頻寬完全體驗
去年介紹Thunderbolt的時候，受限於只有Mac OS環境的軟硬體，因此沒能以大家熟悉的模式進行體驗。雖然如此，當時簡易測試得到結果，還是讓人相當驚喜。現在終於等到它登陸PC，接著就來看筆者怎麼惡搞把玩吧！
固態硬碟大軍伺候
這次測試採用Asus P8Z77-V PREMIUM主機板，另外搭配Promise Pegasus R4磁碟陣列，以及LaCie Little Big Disk這2款外接儲存裝置進行。前者為4bay設計機種，取得空機並且自行加裝固態硬碟，後者則是出廠預設2顆120GB容量的Intel SSD 320固態硬碟。
為挑戰Thunderbolt極限，另外借來6顆Memoright FTM Plus冠軍碟固態硬碟，以確保不會產生速度瓶頸，其中3顆安裝於測試平台，另外3顆裝設在Promise Pegasus R4。其中由於Z77晶片組只有2組SATA 6Gb/s連接埠，所以主機板的第3顆固態硬碟，是連接在Marvell磁碟控制器上。
| 處理器 | Intel Core i5-2500 |
| 主機板 |
Asus P8Z77-V PREMIUM |
| 記憶體 |
Kingston HyperX DDR3-1600 2GB x 2 |
| 硬碟 |
OCZ Agility 3 240GB（系統碟） |
| Thunderbolt裝置 |
Promise Pegasus R4 |
| 電源供應器 |
OCZ OCZ-ZS750W-EU/UK |
| 作業系統 |
Windows 7 Ultimate x64 |
單槍匹馬比速度
一開始先檢視基本盤效能，也就是單顆固態硬碟的表現，以做為對照組數據。ATTO Disk Benchmark循序測試部分，不意外的是Z77晶片組原生控制器跑最快，Marvell 88SE9230則是緊追在後。當移駕到Promise Pegasus R4上面，讀取仍然可以達到500MB/s，但寫入大幅降低40％，只剩下300MB/s左右。至於無法拆換硬碟的LaCie Little Big Disk，出廠預載固態硬碟有讀240MB/s、寫130MB/s左右的速度。
CrystalDiskMark部分只刊出預設隨機亂數模式的數據，因為這和後續資料傳輸實測結果比較能夠接軌。這階段Promise Pegasus R4寫入速度和Z77相近，反觀Marvell 88SE9230倒退嚕的不到140MB/s，稍微落後約莫40％。加以分析沒有登載出來的循序模式數據，結果顯示Promise Pegasus R4寫入速度確實是慢了點。
▲單碟基本效能測試：目前最能夠發揮SATA 6Gb/s介面實力的，還是晶片組原生內建控制器。
10GB/s挑戰成功達陣
再來利用Windows 7動態磁碟功能，為測試平台與2款外接儲存裝置，組建相當於RAID 0的等量磁碟模式。這時候Z77繳出1.2GB/s循序存取速度，未刊載的8192KB單位測試數據顯示，最高速度達讀1559.9MB/s、寫1303.0MB/s。至於隨機存取則是有讀1046MB/s、寫469.4MB/s表現，在後續的裝置測試階段裡，速度應該是足以和Thunderbolt理論頻寬匹配。
那麼Thunderbolt到底有多快？Promise Pegasus R4帶來930.2MB/s讀取速度表現，其實測試搞了老半天，為的就是求得這結果。途中做了點小惡搞測試，讓2個裝置同時間進行一樣的測試，取數值較高的傳輸速度來看，總和值達897.9～1032.4MB/s之譜。這也許不是很精準的數據，但如同先前對USB 3.0的測試一樣，就是要撐爆頻寬極限。
無論如何，Thunderbolt標榜的10Gb/s頻寬，換算下來是1000MB/s，基於種種變數當然很難實測到那數字。因此超過900MB/s已經代表有9成多的達成率，算是圓滿的結果了！
裝置串接測試：訊號延遲影響難以觀察
打完收工？別急，下方圖表還包含了串接測試結果，以觀察訊號延遲對速度的影響。由於這裝置驅動程式層面因素，目前只能先接LaCie Little Big Disk再串Promise Pegasus R4，數據顯示Promise Pegasus R4在串接模式下是有稍微慢一些，LaCie Little Big Disk則是不減反增。
仔細比較數據可以發現，差距最多就3％左右而已，用正常測試誤差來解釋應該不為過。從結果論來說，訊號延遲對速度的影響，很可能是微乎其微。這也相對代表，一般測試手法與軟體，不見得是驗證訊號延遲的合適方式。筆者認為大概要科學一點，使用儀器量測才能得到正確結果。
▲最大速度挑戰測試：現階段還不容易測試驗證，多個裝置串接的延遲時間會對速度造成什麼影響。
（後面還有：更多傳輸速度實測、結論）
速度最終由電腦端決定
最後來看檔案實際傳輸測試部分，雖然也參雜小惡搞成分在內，這數據看來還是相當有意思。首先是傳輸速度數據不顯眼的LaCie Little Big Disk，傳輸單一大檔案居然能夠反向超前Promise Pegasus R4，認為大概是固態硬碟性能差異，或是動態磁碟某層面因素導致。至於零散檔案傳輸就比較符合大家的認知，LaCie Little Big Disk終究只有2顆硬碟，很合理慢了一些。
數據圖表中所指的「同步」，是一次開啟2個FastCopy，同時間但是錯開檔案的進行傳輸測試。例如LaCie Little Big Disk讀取單一大檔案進電腦時，那麼Promise Pegasus R4就進行零散檔案讀取測試。測試用意是模擬多工作運的情形，也能提醒大家，無論Thunderbolt裝置能跑多快，電腦的硬碟裝置速度，也要跟得上才能感受到威力。
▲檔案實際傳輸會受到電腦端效能影響，因此裝置端的效能差異會縮小些。
▲同時對兩個裝置進行效能測試，最高數據總和逼近Thunderbolt頻寬上限。
來點不一樣的Thunderbolt玩法
Asus Thunderbolt FX
Intel去年就已經規劃好，Thunderbolt將結合Ivy Bridge平台，首度進入PC市場。因此Asus設計Z77晶片組產品當時，就在P8Z77-V系列主機板上預留伏筆，暗藏一個TB_Header針腳類型連接器。其配套措施是剛獲得Intel首肯，日前才正式解禁的Thunderbolt EX介面卡，預估價超過2,000元。
組建方式很像早年的HDMI音效輸出土砲方案，必需使用一些線材連接必要訊號。以支援該卡的P8Z77-V系列主機板來說，一般會建議插在第3支PCI-E x16插槽，由晶片組供應Thunderbolt控制器需要的4條PCI-E通道。如果改用其他插槽，那麼通道必然是來自處理器，將會瓜分掉獨立顯卡可用的通道！
至於介面卡與TB_Header之間，則是需要透過一條訊號線連結。Asus表示控制訊號無法透過PCI-E匯流排傳遞，因此得經由這模式，讓介面卡和系統溝通。最後還需要主機板內顯的Display Port訊號，在外部透過標準線材輸入進Thunderbolt EX，混合之後就能構成完整的Thunderbolt訊號。
這對已經採購如P8Z77-V、P8Z77-V PRO，以及P8Z77-V DELUXE主機板的使用者來說是項小小利多消息，至少想體驗Thunderbolt不用整組砍掉重練，你說好玩嗎？
WD My Book Thunderbolt Duo
這款產品是從先前的My Book系列延伸而來，最大差異就是傳輸介面更改為Thunderbolt。目前推出機型為6TB和4TB，由2顆3.5吋硬碟組合而成，光華等通路已經可以買到，分別為23,000元和18,000元左右。出廠預設配置硬碟還是Caviar Green系列，也就是5400RPM環保節能機種，很顯然無法帶給使用者超快速度體驗。
由於它是款針對Mac OS設計的產品，在Windows環境下功能難免打了折扣。其磁碟控制器來自ASMedia，Windows 7能夠自動辨識為標準AHCH控制器，基本驅動使用不成問題。但是目前還沒有Windows版WD Drive Utilities工具軟體，因此無法設定啟用JBOD、RAID 0/1磁碟陣列功能。
同樣對它進行效能檢測，單顆硬碟存取速度平均可達130MB/s之譜。透過Windows 7動態磁碟組建成RAID 0模式，在ATTO Disk Benchmark測得讀277.3MB/s、寫245.1MB/s最高速度，至於CrystalDiskMark則是有讀252.7MB/s、246MB/s速度表現。
坦白說USB 3.0也能滿足這頻寬需求，不過如前面提過的，Thunderbolt最大價值是充裕可用頻寬，裝置到底能跑多快反而其次。如果電腦端沒有固態硬碟化，這速度其實是夠用的，它甚至還更快一些。是否值得，端看應用環境需求而定。
多工才是核心價值
行文至此，各位客官對Thunderbolt效能還滿意嗎？個人相當肯定它的表現，除了速度超越USB 3.0外，最重要的是理論傳輸頻寬達成超過9成。相較於USB 3.0，其理論速度應該可達500MB/s，但是如前面提過橋接器等許多因素影響，想見識到9成或更高達成率，未必是件容易的事情
雖然我們這樣做比較，它和USB 3.0卻沒有絕對的競爭關係，像是隨身碟就算存取速度再快也有個限度，做成Thunderbolt介面反而沒有什麼效益可言。但外接固態硬碟就不再由USB 3.0獨占，OCZ、Promise等廠商在今年Computex展覽上，都端出Thunderbolt介面外接固態硬碟原型產品。
除了各有擅長領域外，Thunderbolt的意義不只有單一裝置能吃掉多少頻寬，跑出多麼棒的數據。利用這充裕頻寬優勢，串接多個裝置並且同步傳輸資料作業，是它更大的應用價值。
非專業用途請迴避
最重要的裝置部分，基本上台灣現在能買到的產品，除了前面內文中出現的Promise、WD外，也就只有Seagate GoFlex Thunderbolt底座而已。Computex展覽上現身的產品，雖然幫產品數量問題打了支強心針，最快也要再等個把月才會上市，現在市場上選擇性非常貧乏。
認為終歸一句：「戒急用忍」，再等個1～2年，才是所謂「玩家」等級使用者合適進場的時間點。至於普羅大眾們，其實USB 3.0就已經足夠滿足需求，慢慢觀望市場演變就好，不需要太過於期待。
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